導(dǎo)語：大學(xué)物理教學(xué)的途徑和意義一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1歷史發(fā)展的非邏輯性

物理學(xué)中，當(dāng)一個(gè)新觀念被牢固建立以后，人們往往發(fā)現(xiàn)新的觀念以簡潔清晰的方式解釋了相關(guān)的物理現(xiàn)象。所有一切看起來都是那么自然，就像是邏輯分析得出的必然結(jié)果一般。但是，如果從歷史的角度來看，新觀念的發(fā)現(xiàn)過程經(jīng)常是一波三折，至少是在邏輯上看來并不是那么顯然。歷史上，一個(gè)新觀點(diǎn)最初提出來的時(shí)候，往往是在建立在舊的知識(shí)框架下，所以處在萌芽狀態(tài)的新思想不可避免受到老觀點(diǎn)的束縛。在進(jìn)一步的發(fā)展過程中，人們不斷提出疑問，把其中錯(cuò)誤的成分剝掉，使之建立在牢固的數(shù)理基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展成邏輯嚴(yán)密的形式。在這個(gè)探索過程中，當(dāng)舊的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾時(shí)，純粹的邏輯推理很難跨越這道鴻溝，而物理直覺能夠幫助科學(xué)家提出新的思想來解決問題。邏輯推理固然重要，但是物理的直覺卻往往是揭開謎底的第一步。所以，物理的發(fā)展過程不可能是一個(gè)簡單的邏輯推導(dǎo)過程，而這一點(diǎn)從物理學(xué)史的角度來看是非常清楚的。如果是純粹邏輯方式的從理論上進(jìn)行講授，則無法讓學(xué)生了解物理學(xué)發(fā)展的真實(shí)過程。

2引入物理學(xué)史面臨的問題

如果我們以現(xiàn)代的、邏輯嚴(yán)密的觀點(diǎn)來講述物理，這種講解將會(huì)是簡潔而富有效率的，沒有太多含糊之處，能夠讓學(xué)生在最短的學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)到最多的科學(xué)知識(shí)。然而，如果從歷史的發(fā)展過程來講述物理知識(shí)卻往往要付出一些代價(jià)。由于歷史的發(fā)展本身就沒有嚴(yán)格的邏輯，導(dǎo)致這種講述方式也是迂回曲折的。如果從單位時(shí)間內(nèi)獲取的知識(shí)點(diǎn)的數(shù)量上來看，從歷史的角度進(jìn)行講述并不劃算。但是，從培養(yǎng)學(xué)生物理思想的角度來講，僅僅用知識(shí)點(diǎn)的數(shù)量對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行衡量是片面的，因?yàn)榭茖W(xué)精神的培養(yǎng)是同樣重要的。簡單分析一下國內(nèi)市面上最常用的教科書，我們就可以清晰發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)情況下，中國物理教育采取的方案是以現(xiàn)代觀點(diǎn)來講述物理，追求最大的效率為目的。而物理學(xué)史有關(guān)的往往寫得干凈簡潔，主要用于提供一些科學(xué)家的名字和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在課堂上，教師的角色是以最簡潔清晰的方式講述知識(shí)，而學(xué)生的角色是用正確的方法求解出習(xí)題，理解科學(xué)知識(shí)。這種講授方式在一定程度上給學(xué)生造成一種錯(cuò)誤的直覺，即，物理學(xué)的發(fā)展就是邏輯推導(dǎo)過程，而且只能朝著正確的方向發(fā)展。這種思想一旦形成，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生迷信書本知識(shí)。因?yàn)闀旧系闹R(shí)全部都是基于邏輯，應(yīng)該不會(huì)有錯(cuò)，進(jìn)而嚴(yán)重阻礙學(xué)生的懷疑精神和創(chuàng)造力。

3引入物理學(xué)史的意義

引入物理學(xué)史的目的，絕不是簡單地增加興趣，幫助理解科學(xué)知識(shí)。而是從根本上引導(dǎo)學(xué)生批判思維，獨(dú)立思考能力，以及科學(xué)價(jià)值觀念的方面的培養(yǎng)。對(duì)于學(xué)生而言，這些科學(xué)精神方面并不是自覺就能夠發(fā)生的。絕大部分情況下，學(xué)生不會(huì)追問歷史的來龍去脈，他們只會(huì)努力學(xué)會(huì)掌握和使用這些科學(xué)知識(shí)．對(duì)于大部分學(xué)生而言，科學(xué)精神的培養(yǎng)需要教師的引導(dǎo)才能進(jìn)行，而物理學(xué)史將會(huì)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神方面起到重要作用。如果學(xué)生能夠了解物理發(fā)展的真實(shí)過程，他們自然就會(huì)明白批判眼光和獨(dú)立思考在物理發(fā)展過程中的重要價(jià)值，知道一個(gè)個(gè)物理概念如何發(fā)展到現(xiàn)在的樣子。也自然會(huì)知道，物理學(xué)家是在不斷地嘗試中用盡一切手段去尋找答案，而并不是只有冷靜的邏輯思考。而這些培養(yǎng)，在一個(gè)純粹講述科學(xué)知識(shí)的為目的的課堂里面是不可能做到的。熱力學(xué)中“卡諾定理”的發(fā)現(xiàn)史就是一個(gè)富有啟發(fā)的例子[1,2]。18世紀(jì)的時(shí)候，人們發(fā)明了蒸汽機(jī)，接下來如何進(jìn)一步提高蒸汽機(jī)效率成為當(dāng)時(shí)的重要問題。1824年，法國的年輕工程師卡諾（SadiCarnot,1796—1832）發(fā)表了《關(guān)于火的動(dòng)力和適合發(fā)展這種動(dòng)力機(jī)器的思考》一文，提出下面的問題：“熱的動(dòng)力是否有限？蒸汽機(jī)的改進(jìn)是否存在以任何方式都無法逾越的極限？”在理論上，他提出下面的任務(wù)：“為了以最一般的方式考慮熱的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原理，就必須獨(dú)立于任何機(jī)制或任何特定的工作介質(zhì)。有必要建立不僅適用于蒸汽機(jī)，而且適用于所有可想到的熱機(jī)的原理，不論其工作物質(zhì)是什么，以及它所采用的運(yùn)轉(zhuǎn)方法是什么?！苯酉聛淼恼撟C，采用了兩個(gè)前提條件：（1）第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)。（2）熱質(zhì)論。熱的傳遞是由于熱質(zhì)的流動(dòng)。熱質(zhì)無重量，不會(huì)產(chǎn)生也不消失。通過考察蒸汽機(jī)的工作流程，卡諾認(rèn)為蒸汽機(jī)的產(chǎn)生動(dòng)力是由于蒸汽機(jī)將熱質(zhì)從高溫物體（熔爐）轉(zhuǎn)移到了低溫物體（冷凝器），進(jìn)一步他斷言這一原理適用于任何由熱引起運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，并且明確提出：“單獨(dú)提供熱是不足以產(chǎn)生推動(dòng)力的，必須要有冷；沒有冷，熱就沒有用了。”接著，卡諾描述了一種由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的可逆循環(huán)，這就是著名的卡諾循環(huán)。他根據(jù)第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)和熱質(zhì)論這兩個(gè)前提，證明了沒有任何熱機(jī)能夠產(chǎn)生比卡諾循環(huán)更多的動(dòng)力，并得出結(jié)論:“使用蒸汽所產(chǎn)生的最大動(dòng)力，也是其他任意方式所能得到的最大動(dòng)力?！边@就是卡諾定理的最初描述，換成現(xiàn)在的方式來講：熱機(jī)必須工作在不同溫度的熱源之間，工作在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的一切可逆機(jī)都有相同效率，不可逆熱機(jī)效率不可能大于可逆熱機(jī)的效率。從這一段歷史里面，我們可以看出：（1）真理的發(fā)現(xiàn)往往不是一蹴而就的。卡諾采用的“熱質(zhì)論”，現(xiàn)在看來是不對(duì)的，導(dǎo)致論文中也有部分不正確的結(jié)論。但是他關(guān)于卡諾定理的描述是正確的．這為提高熱機(jī)效率指明了方向，并且包含了熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。后來，克勞修斯（RudolfClausius,1822—1888）在卡諾工作的基礎(chǔ)上去掉了熱質(zhì)假說，提出了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。（2）物理直覺和想象力在物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程中起到重要作用?？ㄖZ從蒸汽機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力同時(shí)需要高溫物體和低溫物體得到啟示，提出“單獨(dú)的熱源不能產(chǎn)生推動(dòng)力”這個(gè)重要觀點(diǎn)。（3）物理學(xué)發(fā)展的非邏輯性。按照邏輯來講，熱力學(xué)第二定律的建立應(yīng)該在第一定律建立以后，可是歷史上發(fā)展順序正好是反過來的。（4）物理學(xué)發(fā)展的階段性。通過介紹物理學(xué)史上的真實(shí)案例，使學(xué)生明白物理觀點(diǎn)處在不斷地更新過程中，從而潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的批判眼光和獨(dú)立思考能力。

4在“大學(xué)物理”課程中引入“物理學(xué)史”的途徑

為了探究在“大學(xué)物理”課程中引入“物理學(xué)史”的途徑。筆者在哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳校區(qū)）開設(shè)了16學(xué)時(shí)的“物理學(xué)史”通識(shí)選修課程，其中的內(nèi)容涵蓋如下：第一章古代物理知識(shí)（1.1古希臘時(shí)期的物理知識(shí)，1.2中國古代的物理知識(shí)，1.3歐洲中世紀(jì)與阿拉伯世界）；第二章力學(xué)的發(fā)展（2.1近代科學(xué)的萌芽，2.2運(yùn)動(dòng)學(xué)的奠基人—伽利略，2.3牛頓的貢獻(xiàn)）；第三章光學(xué)的形成（3.1光學(xué)的歷史概述，3.2光的波動(dòng)說與微粒說之爭，3.3光譜的研究，3.4光速的測定）；第四章電磁理論的建立（4.1人類對(duì)電磁現(xiàn)象的早期認(rèn)識(shí)，4.2富蘭克林對(duì)雷電的研究，4.3庫侖定律的發(fā)現(xiàn)，4.4從靜電到動(dòng)電，4.5電磁學(xué)的創(chuàng)立，4.6法拉第的貢獻(xiàn)，4.7麥克斯韋電磁場理論的建立,4.8電磁波的發(fā)現(xiàn)）；第五章熱學(xué)發(fā)展史（5.1早期熱學(xué)發(fā)展簡述，5.2從量熱學(xué)到熱力學(xué)，5.3熱力學(xué)第二定律的建立，5.4熱力學(xué)第一定律的建立,5.5分子運(yùn)動(dòng)論與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)）；第六章十九世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)（6.1物理學(xué)革命；6.2電子的發(fā)現(xiàn)；6.3天然放射性；6.4黑體輻射）；第七章狹義相對(duì)論的建立（7.1牛頓力學(xué)的危機(jī)；7.2從伽利略變換到洛倫茲變換；7.3愛因斯坦的相對(duì)論；7.4歐氏時(shí)空與四維時(shí)空）；第八章量子理論的建立（8.1紫外災(zāi)難和普朗克的量子假說，8.2光量子學(xué)與波粒二象性，8.3玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論，8.4量子理論的發(fā)展）。根據(jù)筆者的教課經(jīng)驗(yàn)，16學(xué)時(shí)基本上能夠覆蓋上述內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)物理學(xué)歷史有一個(gè)較為完整的了解。“大學(xué)物理”課程是大學(xué)理工科的基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涵蓋力學(xué)、電磁學(xué)、振動(dòng)和波動(dòng)、幾何光學(xué)、熱學(xué)、狹義相對(duì)論，量子物理和原子物理。比照“大學(xué)物理”和“物理學(xué)史”的課程內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)兩者是相互契合的。相對(duì)于其他的物理專業(yè)課而言，“大學(xué)物理”這門課程知識(shí)覆蓋面廣，能夠非常方便地將整個(gè)“物理學(xué)史”（從古希臘一直到近代）的主要內(nèi)容與物理學(xué)科學(xué)知識(shí)進(jìn)行融合。按照現(xiàn)在的教法，“大學(xué)物理”和“物理學(xué)史”被分成了兩門課程，分別進(jìn)行講授，而且“物理學(xué)史”一般也不是必修課。筆者認(rèn)為如果能夠?qū)ⅰ按髮W(xué)物理”和“物理學(xué)史”融合在一起進(jìn)行講授，教學(xué)效果會(huì)比單獨(dú)講授更好。此外，鑒于物理學(xué)史對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神起到的獨(dú)特作用，應(yīng)該把這部分內(nèi)容作為必修的核心內(nèi)容進(jìn)行要求。根據(jù)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)編制的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》（2010版）相關(guān)要求，“大學(xué)物理”課程核心內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)不少于126學(xué)時(shí)。在這126學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容基本要求中，并沒有對(duì)“物理學(xué)史”做出單獨(dú)的要求。筆者建議將“物理學(xué)史”作為核心內(nèi)容的一部分加入到《基本要求》之中，推薦學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)。從而將總的學(xué)時(shí)從以前的“不少于126學(xué)時(shí)”，增加為“不少于142學(xué)時(shí)”。

5結(jié)語

西方的自然科學(xué)起始于公元前五百多年的古希臘。偉大的古希臘先賢們提出了許多光輝思想，如畢達(dá)哥拉斯的琴弦定律，德謨克利特的原子論，亞里士多德的物理哲學(xué)，阿基米德的杠桿原理和浮力定律等等。古希臘文明結(jié)束之后便進(jìn)入羅馬時(shí)代，羅馬民族比較注重知識(shí)的實(shí)用性，在物理方面鮮有建樹。而羅馬帝國衰落后，歐洲便進(jìn)入長達(dá)千年的黑暗中世紀(jì)時(shí)代，整個(gè)西方物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)入停頓狀態(tài)。一直到十五世紀(jì)中葉，伴隨著歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)，西方物理學(xué)才得重新煥發(fā)生機(jī)，逐漸發(fā)展到今天的蓬勃局面．在這個(gè)曲折發(fā)展的歷程中，逐步形成了西方科學(xué)的文化和傳統(tǒng)。與西方國家不一樣，中國在歷史上沒有能夠系統(tǒng)地發(fā)展出自然科學(xué)。這就導(dǎo)致在中國的文化中，缺少自然科學(xué)的成分。長久以來，我們對(duì)于如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神并沒有經(jīng)驗(yàn)可循。在這方面，物理學(xué)史能夠給我們提供最原始的材料，從中可以了解科學(xué)研究的過程，學(xué)習(xí)研究方法，培養(yǎng)科學(xué)精神。物理學(xué)史以及其他的科學(xué)史對(duì)于中國學(xué)生的科學(xué)精神培養(yǎng)具有獨(dú)特價(jià)值。這種價(jià)值在過去幾十年中是被埋沒的。我們呼吁將物理學(xué)史的作用發(fā)掘出來，將物理學(xué)史作為核心內(nèi)容加入到《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》之中，走出一條將物理學(xué)史與物理科學(xué)知識(shí)相互融合的教育之路。

作者: 秦剛 耿平 單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)